WO2013085408A1 - Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2013085408A1
WO2013085408A1 PCT/RU2011/000961 RU2011000961W WO2013085408A1 WO 2013085408 A1 WO2013085408 A1 WO 2013085408A1 RU 2011000961 W RU2011000961 W RU 2011000961W WO 2013085408 A1 WO2013085408 A1 WO 2013085408A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cable
temperature
measuring
fiber
optical
Prior art date
Application number
PCT/RU2011/000961
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Юрий Владимирович СМИРНОВ
Виктор Андреевич МАЛАЙ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно - Производственное Предприятие Старлинк ("Ооо "Нпп Старлинк")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно - Производственное Предприятие Старлинк ("Ооо "Нпп Старлинк") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно - Производственное Предприятие Старлинк ("Ооо "Нпп Старлинк")
Priority to PCT/RU2011/000961 priority Critical patent/WO2013085408A1/ru
Publication of WO2013085408A1 publication Critical patent/WO2013085408A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
    • E21B47/07—Temperature
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency
    • E21B47/135—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency using light waves, e.g. infrared or ultraviolet waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/324—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres using Raman scattering

Definitions

  • the invention relates to means for measuring temperature with thermometers, the effect of which is based on a change in physical substances depending on temperature using changes in transmission, dispersion or fluorescence in optical fibers, and more specifically, to methods and systems for measuring temperature with the power of Raman scattering in a standard quartz optical fiber (OB), used to transmit information.
  • OB quartz optical fiber
  • the invention may find application in the operation of large length, area or volume of extended structures where heating, deformation, vibration, such as gas and oil wells, various pipelines and tunnels occur
  • measuring systems using fiber-optic sensors are increasingly used in various fields of technology for measuring temperature.
  • Information about the temperature is transmitted through quartz optical fibers, which are usually used to transmit information.
  • Methods and systems for measuring a complex of parameters on point sensors of temperature, pressure, vibration, electric field voltage, etc., based on changes in the transmission parameters of the fiber itself (amplitudes, phases, polarizations), as well as interference, are widely used. and diffraction sensors.
  • Bp3rra fiber-optic sensors [US20090123109, 2009, IPC G01N1 1/32, NKI 385/2, A1].
  • Such sensors are made by forming Bragg gratings directly on the waveguide structure of the fiber. In practice, these are point sensors operating on separate spectral lines in the transparency zone of the organic matter.
  • Several sensors can be formed along the length of the fiber in the desired location on the long section of the optical fiber or cable.
  • As measuring equipment for Bragg sensors systems are used that provide spectral and amplitude analysis of signals from each sensor. When implementing this system, individual binding is required for a specific optical cable (OK) with optical sensors located in a certain position
  • both Raman and Brillouin scattering are used.
  • the spectral lines of these types of scattering differ from the probing main laser radiation and can be distinguished during the back propagation of radiation using the optical reflectometry method and are presented in the form of the dependence of the scattered radiation power on time or on the length of the optical wave.
  • Raman reflectometers usually distinguish two spectral components of scattered radiation that have a constant wavelength shift relative to the probing radiation — the Stokes and anti-Stokes components.
  • the analysis uses the physical fact that the anti-Stokes component is proportional to the temperature of the OM, and the Stokes component is independent of temperature. Therefore, the ratio of the amplitudes of these signals under ordinary conditions is proportional only to temperature, and in the calculation we obtain the temperature dependence along the length of the fiber.
  • Brillouin scattering is characterized by a shift in frequency (wavelength), which simultaneously depends on temperature and voltage in the organic matter.
  • pulsed and frequency reflectometers of Raman (APP) and Brillouin (ADB) radiation are distinguished.
  • APP Raman
  • ADB Brillouin
  • Such analyzers as well as ordinary reflectometers using Rayleigh scattering make it possible to record the dependences of backscattered radiation along the length of a fiber with a spatial resolution of several tens of centimeters or more.
  • the IDOV-1 Raman reflectometer operates at a wavelength of 1.064 ⁇ m and a multimode fiber and has a sensitivity measurements of about 0.05 ° C, measurement range up to 10 km, resolution over a length of 2.5 m.
  • Such characteristics of the device are convenient, in particular, for carrying out temperature measurements inside an oil well.
  • the above monitoring methods and systems can monitor temperature and pressure in wells having a relatively large internal diameter (about 150 mm). But these optical lines are impossible, or at least technically difficult to place under the armored sheath of the high-voltage motor power cable and to control the temperature under the cable sheath.
  • the closest solution in technical essence is the method and equipment for calibrating a remote system for measuring the temperature distribution [US 6807324, 2003, IPC G01K11 / 32, NKI 385/12, 385/13, C1].
  • the method in accordance with this patent is to measure the signals
  • the method is carried out by a system that includes an optical line containing an optical cable of two fibers — multimode or single-mode, one or more Bragg point sensors made in the form of steel capsules placed inside a single sleeve.
  • the system also includes a Raman scattering analyzer block, an APP, a Bragg scattering analyzer block, and an information processing unit (BOI) that determines the temperature distribution along the fiber length measured by all Bragg sensors and corrects this dependence.
  • BOI information processing unit
  • the objective of the proposed solution is to ensure self-calibration in a wide range of temperatures, by increasing the accuracy of measurements by eliminating
  • the problem is solved in that in the known method of measuring the distribution of temperature along the length of a submersible electric power cable by measuring
  • data are used 190 for measuring APP signals, in separate special sections of the optical cable with a guaranteed fiber supply.
  • the problem can also be solved if, in a known device, for measuring the temperature distribution along the length of a submersible power cable, including a fiber optic cable as a distributed sensor and a Raman analyzer for backscattering (APP) ) as a measuring device, as well as calibration temperature sensors installed fixed along the length of the cable and a backscatter analyzer, a fiber optic sensor cable in Full a flexible hollow steel tube composed of six cable wires, the inside of the tube 200 taken by at least one optical quartz fiber, and
  • APP Raman analyzer for backscattering
  • cable calibration sections are made with a helicoidal gap formed by cable segments of five wires, with a guaranteed supply of fiber in them.
  • the device is supplemented with a memory block for the temperature dependence of the differential attenuation of the Stokes and anti-Stokes com-
  • 210 current differs in that they determine the temperature dependence of the differential attenuation of the fiber at the wavelengths of the Stokes and anti-Stokes components of the scattered attenuation in the required temperature range for a particular optical cable and introduce the previously obtained temperature dependence into the Raman backscattering analyzer ), adjusting the current measured dependence
  • the fiber-optic cable-sensor must be made in the form of a flexible hollow steel tube composed of six rope wires, with at least one optical quartz fiber placed inside the tube, and the optical cable is composed of from alternating length sections with different normalized stocks of
  • the invention consists in the following.
  • 250 K is a physical quantity that determines the power of the scattered radiation, constant for a specific OB and cable at 0 C / W;
  • K * is the normalizing constant, determined by the ratio of two signals (i.e., the power ratio) from the anti-Stokes and Stokes components of the scattered radiation, taking into account the conversion coefficients in these channels in the APP) in ° C / W.
  • a durable and lightweight optical cable can be made not only with local temperature sensors, but also with point sensors of pressure and vibration.
  • a Raman scattering analyzer provides the basic basic measurement system (temperature distribution). Measurement of
  • the instrument part of the system may to be performed, including on the basis of a Raman reflectometer and installed at a remote distance from several objects of research (for example, oil wells) and to provide data transfer to the desired access point of information.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a system for measuring the temperature distribution along the length of an oil immersion cable supplying a pump;
  • Fig. 2 is an electro-optical cable arrangement at the location of the sensor (a) and at the location of the calibration section (b) ,
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an electro-optical cable 1,
  • FIG. 4 shows a cross-section of an electro-optical cable, where (a) is a section along line AA in
  • FIG. 5 is a block diagram of a measuring device-analyzer of Raman scattering, with which you can perform measurements in accordance with the proposed method
  • Fig.6 is a flow chart of measurements using a measuring device
  • Fig.7 is a graphical representation of the result
  • the combined electro-optical cable 1 (Fig. 1) is placed inside the well 2.
  • the electric cable 3 is connected via the coupling 4 to the engine 5, the lower section of the optical cable 1 is attached to the engine 5
  • the upper end of the cable is connected to a Raman analyzer.
  • Electro-optic 1 (Fig. 2) contains an optical fiber 7 located in the indentation between two of the six insulated electrical cores 8 of the electric cable (Figs. 2a, 26).
  • the optical fiber On the main sections of the optical cable (FIGS. 2a and 4a), the optical fiber is located in the center 295 of the free space 10 under the armored coating.
  • the armored coating is made of 6 preformed steel wire ropes 8.
  • the calibration section (fig.2b and 46), can have a length of several meters to several tens and contains 5 preformed steel wires 8, and OB 7 is extruded to the periphery of the section and is located along the helicoidal curve.
  • Caliber The 300 cable end portion contains a thin polymer coating 9. The entire cable is coated with a single polymer sheath 11.
  • the electro-optical cable has a buffer protective coating 12 and steel tape armor 13 (Fig. 3).
  • the block diagram of the measuring device includes a Raman scattering analyzer (APP) containing an optical emitter laser 14 connected to APP.
  • APP Raman scattering analyzer
  • the first splitter 15 is connected to a synchronizing optical receiver (OCR) 25 connected to an information processing unit 23 connected to a personal computer processor 29.
  • OCR synchronizing optical receiver
  • the second splitter 16 is connected by an output to additional OB 17,
  • the splitter 16 is also connected to a demultiplexer 20, which is connected to a Rayleigh reflector 24 through an optical receiving device (RAM) 21, also connected via an analog-to-digital conversion unit 22 with information processing unit 23 connected to a personal computer
  • FIG. 6 shows a flow chart of a method for measuring the temperature distribution using the example of a submersible electric pump power cable.
  • Figure 7 shows a graphical representation of the measurement results when implementing the method for two independent corrections of the obtained temperature 320 measurements by recalculating the final resulting temperature dependence along the length of the optical cable, where - 37 curve of the pre-measured distribution, 38 - curve of the temperature distribution after the first adjustments, 39 - curve of the final distribution after the second adjustment, where vertical is pending - temperature in ° C, and horizontal - depth in m.
  • the implementation of the method and device is shown in measuring the distribution of temperature 330 along the length of the submersible electric power cable of the oil pumps in the first stage, it is necessary to manufacture cable 1, shown in figure 2.
  • the basis of the cable is an optical fiber 7 located in the center of the shell 8.
  • the fiber should be preferably positioned strictly along the length of 335 without tension, i.e. without a margin in length (or, which is the same thing, with a zero excess), since this is shown in FIGS. 3 and 4a, section AA.
  • an excess should be realized, for example, 0.5%, as shown in section BB (Fig. 4b).
  • the cable is covered with a thin temperature-resistant sheath, for example, 340 made of fluoroplastic tape (12).
  • the entire cable is coated with a single protective sheath (13) made of heat-resistant extrusion polymer material.
  • a thin temperature-resistant sheath for example, 340 made of fluoroplastic tape (12).
  • the entire cable is coated with a single protective sheath (13) made of heat-resistant extrusion polymer material.
  • 345 of 6 wires (figa and 4a) is the most practical and at the same time stable.
  • the wires are made in the form of tubes, leaving the center for the optical fiber (OV) located along the OK axis free and, therefore, the length of the OB and the length of the OK are equal.
  • the fiber in such a cable can also be stretched, then they talk about the "lack" of OM in the OK, there can be no "excess” OM in such a cable.
  • OK calibration sections can be made in the process of applying armor from six wires, cutting one wire up to 2-5 meters in length and lengthening. 365 nia of the fiber section in this place by 1-2%. This does not violate the integrity of the OM and does not violate the continuity of the optical cable.
  • the OK device potentially has a large range of work in temperature due to the possibility of creating a large supply of OM in special areas.
  • the OK can be performed without opto-electrical couplings, which are required in the prototype 370 ne to accommodate Bragg point sensors. Those. externally, the OK has a constant diameter and therefore can be placed under the general armored sheath of the electric power cable.
  • the dependence of the ratio of these signals at the corresponding lengths which can be represented as
  • This information is stored in correction block 26, which, together with the Rayleigh optical reflectometer 24, is additionally included in the set of the Raman scattered radiation analyzer.
  • the OTDR 24 is connected at the input to one of the outputs of the optical OTDR by its output with the input of the correction unit 27.
  • the assembled electro-optical cable is placed in the oil well 400 2, in the lower part of which the electric cable 3 is connected by means of the coupling 4 to the motor 5, the lower section of the optical cable 1 is attached to the motor 5 of the pump 6.
  • the upper end of the cable is connected to a Raman analyzer.
  • Special sections of the optical cable in sections B-B (Fig. 1) located along the length of the cable are essentially local temperature sensors. They can easily be made 405 during the manufacturing process of OK at the first stage of manufacturing an optical armored module shell as described above.
  • the device in terms of the optical cable can be quite simply implemented on the basis of the developed and commercially available cable brand SL-OKMB-03 [6], having the design shown in Figure 3 (a), section AA.
  • This cable has the following characteristics:
  • Diameter of steel wires 1.1 mm;
  • Fig. 46, section B-B where it is shown that the optical fiber assumes the position of one of the wires removed from the armor cover and replaces its position, and a margin of length along the length occurs. In this cable, a margin of up to 2% is possible. In this case, loss from bending of the bent fiber will not occur.
  • This cable can be laid in a heat-resistant polymer sheath, for example, made of fluoroplastic.
  • the device in terms of the electro-optical cable (Fig. 2) is easily implemented by installing the specified optical cable, since the cable has small dimensions and is characterized by overall high resistance to mechanical stress.
  • 430 The temperature distribution is measured as follows using a Raman scattering analyzer (APP).
  • APP Raman scattering analyzer
  • the radiation of the laser 20 passes sequentially through two splitters 15 and 16, enters the auxiliary fiber 17, placed in the thermostat 18 and then through the optical connector 19 into the optical fiber 8 of cable 1.
  • the backscattered radiation is returned to the APP
  • the optical receiving device (OPU) 21 converts the signals, then the analog electrical signals from the OPU are converted into digital signals using the ADC 22
  • the backscattering analyzer circuit of the Raman reflectometer includes a control device 26, an additional correction unit 27, connected at the input to the Rayleigh reflectometer 25.
  • the Rayleigh reflectometer contains at its input its own optical filter associated with an additional filter in the demultiplex
  • curve 38 is constructed, which is obtained by secondary correction of the measurement results taking into account the available data on the dependence of differential attenuation on temperature: A acT f (LT)
  • the proposed method and device for measuring the temperature distribution along the length of a submersible electric power cable is easy to implement and does not have the drawbacks noted in the analogues and prototype.
  • the proposed measurement method makes it possible to increase the accuracy of measuring the temperature of Raman scattering analyzers by eliminating one of the main physical factors that arise in the practical implementation of the method. Those. data on measuring the differential attenuation between the anti-Stokes and Stokes components during the scattering of quartz organic matter, which is exposed to external temperature and mechanical stresses during cable operation in the well. 500
  • the proposed technical solution a method and apparatus for measuring temperature — can also be used to implement pressure and vibration measurements. In this case, these special zones can be used, for example, to create a Bragg sensitive element or a vibration sensitive element.
  • the necessary constructive solution can be used similarly to the presented technical solution.
  • the proposed technical solution - a method and apparatus for measuring temperature can be used to measure the temperature inside the submersible electric power cable of oil pumps, when the optical cable is built into the design of the electric cable, but also with the autonomous use of a self-supporting 510 carrier fiber-optic distributed sensor cable for the study of oil wells and other extended facilities, including oil immersion equipment.
  • Strong and lightweight self-supporting optical cable can be made not only with local temperature sensors, but also with point pressure sensors and

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Изобретение относится к системам для измерения температуры с помощью рамановского рассеяния в стандартном кварцевом оптическом волокне (ОВ), использующемся для передачи информации. Изобретение может найти применение при эксплуатации больших по длине, площади или объему протяженных сооружений, где происходят нагрев, деформации, вибрации, например таких как, газовые и нефтяные скважины, различные трубопроводы и туннели. Способ заключается в определении температурной зависимости дифференциального затухания волокна на длинах волн Стоксовской и анти-Стоксовской компонентах рассеянного затухания в требуемом диапазоне температур. Основой кабеля является оптическое волокно 7, расположенное в центре бронировочной оболочки 8. При изготовлении кабеля и, более точно, при бронировании должно быть предусмотрено преимущественное расположение волокна строго по длине без натяжения, т.е. без запаса по длине (или, что одно и то же, с нулевым избытком), так как это показано на фиг.З и 4а, сечение А- А. В нескольких участках кабеля длиной порядка 5 м должен быть реализован избыток.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к средствам измерения температуры термометрами, дей- ствие которых основано на изменении физических веществ в зависимости от темпера- туры с использованием изменений в передаче, рассеивании или флюоресценции в оп- тических волокнах, а точнее к способам и системам для измерения температуры с по- мощью рамановского рассеяния в стандартном кварцевом оптическом волокне (ОВ), использующемся для передачи информации.
Изобретение может найти применение при эксплуатации больших по длине, площади или объему протяженных сооружений, где происходят нагрев, деформации, вибрации, например таких как, газовые и нефтяные скважины, различные трубопрово- ды и туннели
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В настоящее время для измерения температуры все большее использование в различных областях техники находят системы измерений, использующие волоконно- оптические датчики. Информация о температуре передается по кварцевым оптическим волокнам, которые обычно применяются для передачи информации. Широкое распро- странение получили методы и системы измерений комплекса параметров на точечных датчиках температуры, давления, вибрации, напряжения электрического поля и др., по- строенные на использовании изменения параметров передачи собственно волокна (ам- плитуды, фазы, поляризации), а также интерференционные и дифракционные датчики.
Одними из наиболее перспективными являются системы измерений с использо- ванием волоконно-оптических датчиков Bp3rra[US20090123109, 2009, МПК G01N1 1/32, НКИ 385/2, А1]. Такие датчики изготавливаются путем формирования решеток Брэгга непосредственно на волноводной структуре волокна. Практически это точечные датчики, работающие на отдельных спектральных линиях в зоне прозрачности ОВ. По длине во- локна могут быть сформированы несколько датчиков в требуемом месте на длинном уча- стке оптического волокна или кабеля. В качестве измерительной аппаратуры для датчиков Брэгга используются систе- мы, обеспечивающие спектральный и амплитудный анализ сигналов от каждого датчи- ка. При реализации этой системы необходима индивидуальная привязка под конкрет- ный оптический кабель (ОК) с расположенными в определенном положении оптиче- скими датчиками
Альтернативным решением являются системы мониторинга, основанные на из- мерении комбинированного рассеяния света, проходящего по стандартному кварцево- му ОВ, использующемуся для передачи информации [Ю.Т. Ларин, Ю.В. Смирнов. Из-~ мерение температуры сверхпроводящих электрических кабелей посредством волокон- но-оптических датчиков. Первая миля. \, 2011 ].
Для1 анализа сигнала используют как рамановское, так и бриллюэновское рас- сеяние. Спектральные линии этих видов рассеяния отличаются от зондирующего ос- новного лазерного излучения и могут быть выделены при обратном распространении излучения с помощью метода оптической рефлектометрии и представлены в виде зави- симости мощности рассеянного излучения от времени или от длины ОВ.
В рамановских рефлектометрах обычно выделяют две спектральные компонен- ты рассеянного излучения, которые имеют постоянный сдвиг по длине волны относи- тельно зондирующего излучения - Стоксовскую и анти-Стоксовскую компоненты. При анализе используют тот физический факт, что анти-Стоксовская компонента пропор- циональна температуре ОВ, а Стоксовская компонента не зависит от температуры. По- этому отношение амплитуд этих сигналов при обычных условиях пропорционально только температуре и при расчете получается температурная зависимость по длине во- локна.
Как известно, бриллюэновское рассеяние характеризуется сдвигом частоты (длины волны), которое одновременно зависит от температуры и напряжения в ОВ.
По способу схемной реализации различают импульсные и частотные рефлекто- метры (анализаторы) рамановского (АРР) и бриллюэновского (АБР) излучения. Такие анализаторы также как обычные рефлектометры, использующие рэлеевское рассеяние, позволяют регистрировать зависимости обратно рассеянного излучения по длине во- локна с пространственным разрешением от нескольких десятков сантиметров и более.
По своей структуре - рамановские и бриллюэновские анализаторы достаточно сложные приборы, при этом в настоящее время стоимость бриллюэновских анализато- ров существенно выше рамановских. Например, рамановский рефлектометр ИДОВ-1, работает на длине волны 1 ,064 мкм и многомодовом волокне и имеет чувствительность измерений около 0,05 °С, диапазон измерений до 10 км, разрешение по длине 2,5м. Та- кие характеристики прибора удобны, в частности, для проведения измерения темпера- туры внутри нефтяной скважины.
Известны квазираспределенные системы измерения температуры и комбиниро- ванные системы измерения, включающие брэгговские датчики и распределенные рама- новские или бриллюэновские рефлектометры [GB 2446285, 2007, МПК G01K11/32, С1 и US2005094129, 2005, МПК G01N21/00, НКИ 356/73.1, А1]. В этих изобретениях исполь- зуются рамановский рефлектометр - совместно с бриллюэновским, или отдельно либо рамановский, либо бриллюэновский рефлектометр.
Основным недостатком таких систем является то, что в них изменение сигнала может происходить, как из-за изменения температуры, так и от механического удлине- ния волокна под воздействия растягивающей (сжимающей) нагрузки, или поперечной нагрузки. При реализации температурного брэгговского датчика на ОК, помещенном в скважине, необходимо исключить влияние растяжения на результаты измерений. На- оборот, при реализации брэгговского датчика давления на оптический кабель, поме- щенный в скважине, необходимо исключить влияние температуры на результаты изме- рений. Для этого, как правило, оптическое волокно с решеткой Брэгга помещают внутрь стальной капсулы, имеющей определенный наружный диаметр, а саму капсулу помещают в дополнительную трубчатую секцию. Конструкция капсулы обеспечивает чувствительность только одного фактора.
Такое решение требует доступа к оптическому волокну, при этом необходимо разрушение оболочек кабеля и оптического модуля. В секцию оптического кабеля для обеспечения независимости измерения температуры изготавливают отличной от основ- ного ОК. При такой реализации датчика увеличивается диаметр ОК, что затрудняет и усложняет его использование. Обеспечив необходимое конструктивное решение чувст- вительного элемента, с помощью рамановского и бриллюэновского рефлектометра можно обеспечить мониторинг температуры и давления по длине волокна и ОК.
В целом, недостатки обоих типов рефлектометров точно такие же, как и у датчи- ков Брэгга. Они связаны с взаимным влиянием на измерение одного параметра (темпе- ратуры) на изменение второго (растяжение).
Для решения этой проблемы вводят дополнительную калибровку рамановской системы температурного мониторинга с помощью установленных по длине ОК точеч- ных брэгговских датчиков. Используют подобные решение для корректировки полученных измерений с помощью бриллюэновского измерителя обратного рассеяния. В этих решениях так же, как в квазираспределенных системах, только с брэгговскими датчиками, используется 105 установка аналогичной капсулированной брэгговской решетки (датчика температуры) внутри стального цилиндра.
Такие технические решения существенно усложняют и оптическую линию, и непосредственно приборную часть системы мониторинга.
Указанные выше способы и системы мониторинга могут осуществлять кон- 110 троль над температурой и давлением в скважинах, имеющих относительно большой внутренний диаметр (порядка 150 мм). Но эти оптические линии невозможно или, по крайней мере, технически сложно поместить под бронированную оболочку высоко- вольтного кабеля питания двигателя и контролировать температуру под оболочкой ка- беля.
115 Известны оптические кабели для измерения температуры внутри электрического кабеля для установок погружных насосов [RU 56007, 2005, МПК G02B66/44, Н01В7/00, U1 и RU 74004, 2008, МПК Н04В9/00, Ш], используется конструкция комбинированно- го электро-оптического кабеля, в котором высоковольтные изолированные электриче- ские жилы располагаются совместно с полимерным оптическим модулем под единой
120 броней из стальных лент. Недостатками таких кабелей являются недостаточная стой- кость к воздействию механических воздействий - растяжению и сжатию под действием гидростатического давления, а также ограниченная температурная стойкость.
С другой стороны, в этих кабелях затруднителен доступ к оптическому волокну для изготовления локального калибровочного датчика температуры для калибровки
125 системы измерения распределенного затухания по длине ОК с помощью систем темпе- ратурного мониторинга с рамановскими (или бриллюэновскими) анализаторами рассе- янного излучения. Использование таких кабелей также затруднительно по той причине, что практически сложно создать брэгговский точечный измеритель, необходимый для калибровки, поскольку трудно практически вскрыть эту оболочку кабеля и модуля и
130 поместить брэгговский датчик под бронированную оболочку электрического кабеля.
Наиболее близким по технической сущности решением является способ и аппа- ратура для калибровки дистанционной системы измерение распределения температуры [US 6807324, 2003, МПК G01K11/32, НКИ 385/12, 385/13,С1].
Способ в соответствии с этим патентом заключается в измерении сигналов ра-
135 мановского обратного рассеянного излучения кварцевого оптического волокна на дли- нах волн соответствующих Стоксовской и анти-Стоксовской компонент и расчета рас- пределения температуры по соотношению этих сигналов. Способ осуществляется сис- темой, которая включает оптическую линию, содержащую оптический кабель из двух волокон - многомодовых или одномодовых, один или нескольких точечных датчиков Брэгга, выполненных в виде стальных капсул размещенных внутри единой муфты. Система включают также блок анализатора рамановского рассеяния, АРР, блок анали- затора брэгговского рассеяния и блок обработки информации (БОИ), определяющий распределение температуры по длине волокна, измеренной всеми датчиками Брэгга и корректирующий эту зависимость.
Основным недостатком такого решения является повышенная погрешность из- мерения распределения температур в широком диапазоне измерений температур. Дело в том, что для рамановского рефлектометра заключение о прямой зависимости отноше- ния двух составляющих обратного рассеяния только от температуры не вполне верно. Известно, что при изменении температуры может возникать еще один вид погрешности измерения температуры, связанный с дифференциальным затуханием на длинах волн рамановских составляющих рассеянного излучения.
Этот эффект изменения указанного выше дифференциального затухания также приводит к возникновению погрешности измерения температуры с помощью раманов- ского рефлектометра. Эффект проявляется и усиливается в случае работы оптического кабеля в широком диапазоне температур, когда отмечаются дополнительные потери ОВ на рабочих длинах.
В практическом отношении это означает, что рамановскую рефлектометрию для измерения температуры нельзя использовать в том случае, когда имеет место возраста- ния собственного затухания ОК. Практически это означает - при эксплуатации кабеля в диапазоне температур, больших, чем гарантированный рабочий диапазон, когда зату- хание кабеля имеет постоянное значение, возрастает погрешность измерений.
Также недостатком этого технического решения является невозможность ис- пользования этой системы при реализации задачи контроля распределения температу- ры внутри погружного электрического кабеля питания из-за сложности установки оп- тической линии (состоящей из оптического кабеля и муфт с оптическими датчиками Брэгга) внутрь под бронированную оболочку электрического кабеля. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявляемого решения является обеспечение самокалибровки в широком диапазоне температур, путем повышения точности измерений за счет исключения по-
175 грешностей, связанных с изменением дифференциального затухания в кабеле между анти-Стоксовской и Стоксовской компонентами рамановского излучения с одновре- менным упрощением устройства для измерения.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения распреде- ления температуры по длине погружного электрического кабеля питания путем измере-
180 ния сигналов рамановского обратного рассеянного излучения оптического волокна на длинах волн соответствующих Стоксовской и анти-Стоксовской компонент и расчета температурной зависимости по соотношению этих сигналов, предварительно определя- ют температурную зависимость дифференциального затухания волокна на длинах волн Стоксовской и анти-Стоксовской компонентах рассеянного затухания в требуемом диа-
185 пазоне температур для конкретного оптического кабеля и вводят предварительно полу- ченную температурную зависимость в анализатор рамановского обратного рассеяния (АРР), корректируя текущую измеряемую зависимость температуры по длине оптиче- ского кабеля.
Для дополнительной корректировки результатов измерения используют данные 190 измерения сигналов АРР, на отдельных специальных участках оптического кабеля имеющих гарантированный запас волокна.
Поставленная задача может быть также решена, если в известном устройстве, для измерения распределения температуры по длине погружного электрического кабеля пи- тания, включающем помещенный внутри общей бронированной оболочки, волоконно- 195 оптический кабель в качестве распределенного датчика и анализатор рамановского об- ратного рассеяния (АРР) в качестве измерительного прибора, а также калибровочные датчики температуры, установленные фиксировано по длине кабеля и анализатор обрат- ного рассеяния, волоконно-оптический кабель-датчик выполнен в виде гибкой полой стальной трубки, составленной из шести канатных проволок, при этом внутри трубки 200 размещено, по крайней мере, одно оптическое кварцевое волокно, а
калибровочные участки кабеля выполнены с геликоидальной щелью, образован- ной отрезками кабеля из пяти проволок , с гарантированным запасом волокна в них. Для более точного измерения устройство дополнено блоком памяти температур- ной зависимости дифференциального затухания Стоксовской и анти-Стоксовской ком-
205 понент, который связан своим выходом с блоком анализатора рамановского рассеяния, корректирующего температурную зависимость и рэлеевский оптическим рефлектомет- ром, соединенным своим выходом с входом приемника рамановского рефлектометра, а выходом с процессором рамановского рефлектометра.
Сравнительный анализ с известными решениями показал, что заявляемое изобре-
210 тение отличается тем, что определяют температурную зависимость дифференциального затухания волокна на длинах волн Стоксовской и анти-Стоксовской компонентах рассе- янного затухания в требуемом диапазоне температур для конкретного оптического кабе- ля и вводят предварительно полученную температурную зависимость в анализатор ра- мановского обратного рассеяния (АРР), корректируя текущую измеряемую зависимость
215 температуры по длине оптического кабеля. Для осуществления этих операций волокон- но-оптический кабель-датчик должен быть выполнен в виде гибкой полой стальной трубки, составленной из шести канатных проволок, при этом внутри трубки размещено, по крайней мере, одно оптическое кварцевое волокно, кроме того оптический кабель со- ставлен из чередующихся по длине участков с различным нормированным запасом во-
220 локна относительно стальной трубки. Все это подтверждает соответствие критерию изо- бретения «новизна».
Предложенный способ и устройство для его осуществления являются про- мышленно применимыми и разработанные технические средствами соответствуют критерию изобретательский уровень, так как они явным Образом не следуют из уровня
225 техники.
При этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характери- зуемых отличительными существенными признаками, для достижения указанного тех- нического результата.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установ- 230 ленным условиям патентоспособности.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Эффект изменения дифференциального затухания приводит к возникновению погрешности измерения температуры с помощью рамановского рефлектометра. Эф- фект проявляется и усиливается в случае работы оптического кабеля в широком диапа- 235 зоне температур, когда отмечаются дополнительные потери ОВ на рабочих длинах волн. В практическом отношении это означает, что рамановскую рефлектометрию нельзя использовать при возрастании собственного затухания ОК, т.е. при эксплуата- ции кабеля в диапазоне температур, больших, чем гарантированный диапазон, когда 240 затухание кабеля имеет постоянное значение, поскольку возрастает погрешность изме- рений.
Это можно показать для наглядности с помощью следующих рассуждений.
При нормальной температуре зависимость отношения сигналов рамановского рассеяния на Стоксовской и анти-Стоксовской компонентах зависит только от темпера- 245 туры и физической константы, определяющейся материалом ОВ:
А аст f ( L Т )
А. ст f { L )
где,
250 К - физическая величина, определяющая мощность рассеянного излучения, по- стоянная для конкретного ОВ и кабеля в 0 С/Вт;
К*- нормирующая константа, определяющаяся отношением двух сигналов (т.е. соотношением мощностей) от антистоксовской и стоксовской компонет рассеянного излучения с учетом коэффициентов преобразования в этих каналах в АРР) в °С/Вт .
255 Этот коэффициент также напрямую зависит от вышеуказанного дифференци- ального затухания.
A acT f ( L T ) ^ А. ст f ( L ) мощности антистоксовской и Стоксовской ком- панент рассеянного рамановского излучения в отдельных точках по длине оптического кабеля L в Вт.
260 F (L) - температурная зависимости в °С по длине L
В этом случае прочный и легкий оптический кабель может быть выполнен не только с локальными датчиками температуры, но и с точечными датчиками давления и вибрации. При этом использование анализатора рамановского рассеивания обеспечива- ет основную базовую систему измерений (распределение температуры). Измерение ло-
265 кальных физических параметров - давления и температуры будет зависеть от комплек- тации дополнительными системами анализа. При этом приборная часть системы может быть выполнена в том числе на базе рамановского рефлектометра и установлена на удаленном расстоянии от нескольких объектов исследований (например, нефтяных скважин ) и обеспечивать передачу данных в нужную точку доступа информации.
270
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предлагаемый способ и устройство для измерения распределения температуры по длине погружного электрического кабеля питания поясняется рисунками, где на
275 фиг.1 представлена принципиальная схема системы измерения распределения темпера- туры по длине нефтепогружного кабеля, питающего насос, на фиг.2 - устройство элек- трооптического кабеля в месте расположения датчика(а), и в месте расположения ка- либровочного участка(б), на фиг.З - поперечное сечение электрооптического кабеля1, на фиг.4 показано сечение электрооптического кабеля, где (а) разрез по линии А-А в
280 месте расположения датчика, (б) - разрез по линии Б-Б, в месте расположения калибро- вочного участка, на фиг.5 - блок-схема измерительного прибора-анализатора раманов- ского рассеяния, с помощью которого можно выполнить измерения в соответствии с предлагаемым способом, на фиг..6 - технологическая схема проведения измерений с использованием измерительного прибора, на фиг.7 - графическое изображение резуль-
285 татов измерения в виде типичных зависимостей распределения затухания, полученные с помощью представленного способа измерения.
Комбинированный электрооптический кабель 1 (фиг.1) помещен внутри сква- жины 2. В нижней части скважины электрический кабель 3 соединен с помощью муф- ты 4 с двигателем 5, нижний отрезок оптического кабеля 1 прикреплен к двигателю 5
290 насоса 6. Верхний конец кабеля подключен к анализатору рамановского рассеяния.
Электрооптический 1 (фиг.2) содержит оптическое волокно 7, помещенное в уг- лублении между двумя из шести изолированных электрических жил 8 электрического кабеля (фиг.2а, 26).
На основных участках оптического кабеля (фиг.2а и 4а) ОВ размещено в центре 295 свободного пространства 10 под бронированным покрытием. Бронированное покрытие выполнено из 6 преформированных канатных стальных проволок 8.
Калибровочный участок (фиг.2б и 46), может иметь длину от нескольких метров до нескольких десятков и содержит 5 преформированных стальных проволок 8, а ОВ 7 вытеснено на периферию сечения и расположено по геликоидальной кривой. Калибро- 300 вочный участок кабеля содержит тонкое полимерное покрытие 9 .Весь кабель покрыт единой полимерной оболочкой 11. Кроме того, электрооптический кабель имеет бу- ферное защитное покрытие 12 и стальную ленточную броню 13(фиг.З).
Блок-схема измерительного прибора (фиг.5) включает анализатор рамановского рассеивания (АРР), содержащий оптический излучатель лазер 14, соединенный с по-
305 следовательно соединенными разветвителями 15 и 16 и устройством управления, включающем блок коррекции 27 и персональный компьютер 28. Первый разветлитель 15 соединен с синхронизирующим оптическим приемникаом (ОПрС) 25, подключен- ным к блоку обработки информации 23, соединенному с процессором персонального компьютера 29. Второй разветвитель 16 соединен выходом с дополнительным OB 17,
310 размещенном в термостате 18, который через оптический соединитель 19 соединен с OK 1. Разветвитель 16 подключен также к демультиплексатору 20, который соединен с релеевским рефлектором 24 через оптическое приемное устройство (ОПУ) 21, соеди- ненное также через блок аналого-цифрового преобразования 22 с блоком обработки информации 23, подключенным к персональному компьютеру
315 На фиг. 6 показана технологическая схема реализации способа измерения рас- пределения температуры на примере погружного электрического кабеля питания насо- сов.
На фиг.7 продемонстрировано графическое изображение результатов измерения при реализации способа для двух независимых коррекций полученных температурных 320 измерений путем пересчета окончательной результирующей температурной зависимо- сти по длине оптического кабеля, где - 37 кривая предварительно измеренного распре- деления, 38 - кривая температурного распределения после первой корректировки, 39 - кривая окончательного распределения после второй корректировки, где по вертикали отложена - температура в °С, а по горизонтали - глубина в м.
325
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Осуществление способа и устройства показано на измерения распределения 330 температуры по длине погружного электрического кабеля питания нефтяных насосов на первом этапе необходимо изготовить кабель 1, представленный на фиг.2. Основой кабеля является оптическое волокно 7, расположенное в центре брони- ровочной оболочки 8. При изготовлении кабеля и, более точно, при бронировании должно быть предусмотрено преимущественное расположение волокна строго по дли- 335 не без натяжения, т.е. без запаса по длине (или, что одно и то же, с нулевым избытком), так как это показано на фиг.З и 4а, сечение А-А. В нескольких участках кабеля длиной порядка 5 м должен быть реализован избыток, например 0, 5 %, как это показано в се- чении Б-Б (фиг.4б).
На этих участках кабель покрыт тонкой температурно-стойкой оболочкой, на- 340 пример из ленты фторопласта (12). Весь кабель покрыт единой защитной оболочкой (13) из термостойкого экструзионного полимерного материала. В процессе изготовле- ния оболочки отмечают расположение специальных участков с дополнительным запа- сом по длине ОК.
Эксперименты показали, что конструкция бронированной оболочки 8 датчиков
345 из 6 проволок (фиг.2а и 4а) наиболее практична и в тоже время устойчива. Проволоки выполняют в виде трубок, оставляя свободным центр для оптического волокна (ОВ), располагаемого по оси ОК и, поэтому, длина ОВ и длина ОК равны. Волокно в таком кабеле также может быть натянуто, тогда говорят о "недостатке" ОВ в ОК, "избытка" ОВ в таком кабеле быть не может.
350 Если одну проволоку из кабеля с 6 проволоками (фиг.2б и 46) убрать, повив бро- нированной оболочки "не провалится", а волокно освободится. Таким образом создается его "избыток" и его можно расположить по геликоиде. Расчеты показали, что этот избы- ток в конкретных кабелях может быть до 2-х %. Таким образом изготавливается калиб- ровочный участок кабеля.
355 Выполнение калибровочного участка с геликоидальным расположением ОВ обеспечивает его избыток до нескольких процентов. Тем самым на этом участке не бу- дет происходить удлинения ОВ от удлинения ОК при росте температуры в кабеле. По этой причине в оптическом волокне на этих участках не будет дополнительных потерь при удлинении ОК и при возрастании температуры. Т.е такое техническое решение в
360 значительной степени обеспечивает стабильный коэффициент К *, и по этой причине возможность измерения температуры в этих точках оптического кабеля методом рама- новского рассеивания с повышенной точностью.
Калибровочные участки ОК могут быть изготовлены в процессе наложения бро- ни из шести проволок, вырезания одной проволоки на длине до 2-5 метров и удлине- . 365 ния участка волокна в этом месте на 1-2 %. Это не нарушит целостности ОВ и не на- рушит непрерывности оптического кабеля.
Устройство ОК потенциально имеет большой диапазон работы по температуре за счет возможности создания большого запаса ОВ на специальных участках. Устройство
ОК может быть выполнено без опто-электрических муфт, которые требуются в прототи- 370 пе для размещения точечных датчиков Брегга. Т.е. внешне ОК имеет постоянный диа- метр и поэтому может быть помещен под общую бронированную оболочку электриче- ского кабеля питания.
Следующий этап - это проведение измерения распределения затухания оптиче- ского кабеля не только с помощью рэлеевского рефлектометра на рабочей длине, на- 375 пример 1,3 мкм, А1,3 = Al,3 (L), но и спектральные измерения затухания кабеля на длинах волн Стоксовской и анти-Стоксовской компонент при изменении температуры окружающей среды, например до 150°С. Зависимость отношения этих сигналов на со- ответствующих длинах, которую можно представить в виде
A Mx f C )
К =:F| T ) =
А. ст f ( Т )
(2) ,
380
запоминают в блоке коррекции 27 (фиг.5), анализатора рамановского излучения.
. Также записывают и запоминают температурную зависимость затухания на длине волны, соответствующей длине волны рэлеевского рефлектометра (например, на длине волны 1,064 мкм) - Al,064= f (Т). Эта информация хранится в блоке коррекции 26, ко- 385 торый вместе с рэлеевским оптический рефлектометр 24 дополнительно введены в ком- плект рамановского анализатора рассеянного излучения. При этом рефлектометр 24 свя- зан по входу с одним из выходов оптического рефлектометра своим выходом с входом блока коррекции 27.
На следующем этапе изготавливают электрооптический кабель согласно
390 фиг. 2(а и б). В него устанавливают оптический кабель, прошедший испытания, указан- ные выше.
• Изготовленный оптоэлектрический кабель (ОК) помещают в протяжен- ный сосуд, где он нагревается. При нагреве ОК удлиняется и как оказывается относи- тельно много. Но на калибровочном участке удлинения не будет до того момента, пока 395 не выберутся указанные выше два процента. Поэтому в сравнении с известными спосо- бами и схемами этот участок будет давать измеряемую температуру, а не температуру с погрешностями из-за собственного роста затухания ОК и, более точно, роста диффе- ренциального затухания ОК.
• Собранный электрооптический кабель размещают в нефтяной скважине 400 2, в нижней части которой электрический кабель 3 соединен с помощью муфты 4 с дви- гателем 5, нижний отрезок оптического кабеля 1 прикреплен к двигателю 5 насоса 6.
Верхний конец кабеля подключен к анализатору рамановского рассеяния.
Специальные отрезки оптического кабеля в сечениях Б-Б (фиг.1), расположен- ные по длине ОК по существу являются локальными датчиками температуры. Они легко 405 могут быть изготовлены в процессе производства ОК на первом этапе изготовления оп- тического бронированной оболочки модуля как указано выше.
Устройство в части оптического кабеля может быть достаточно просто осуществ- лено на базе разработанного и серийно выпускающегося кабеля марки СЛ-ОКМБ-03 [6], имеющего конструкцию, представленную на Фиг.3(a), сечение АА.
410 Этот кабель имеет следующие характеристики:
Температурный диапазон от - 60 до + 60°;
Диаметр ОВ 245 мкм;
Диаметр стальных проволок 1,1 мм;
Диаметр по броне 3,3 мм;
415 Наружный диаметр 4.0 мм ;
Максимальная растягивающая нагрузка 4 кН;
Максимальная поперечная нагрузка 1,5 кН/10 см;
Допустимое гидростатическое давление... не более 500 Ат
Высокая гибкость и стойкость к перемоткам.
420 Так в этом кабеле можно свободно расположить одно волокно по геликоиде
(фиг. 46, сечение Б-Б), где показано, что оптическое волокно принимает положение од- ной из убранных из броневого покрова проволоки и заменяет ее положение, при этом возникает запас длины ОВ по длине. В этом кабеле возможен запас до 2%. При этом по- терь от изгиба изогнутого волокна не возникнет.
425 Этот кабель можно положить в термостойкую полимерную оболочку, например, из фторопласта.
Устройство в части электрооптического кабеля (фиг.2) , легко реализуется пу- тем установки указанного оптического кабеля, поскольку кабель имеет небольшие га- бариты и отличается общей высокой стойкостью к механическим нагрузкам. 430 Измерение распределения температуры производятся следующим образом с ис- пользованием анализатора рамановского рассеивания (АРР). Излучение лазера 20 проходит последовательно через два разветвителя 15 и 16, попадает во вспомогатель- ное волокно 17, помещенное в термостате 18 и далее через оптический соединитель 19 в оптическое волокно 8 кабеля 1. Обратно рассеянное излучение возвращается в АРР
435 и через лазер 14 и разветвитель 15 попадает в спектральный демультиплексатор 20, в котором выделяются три частоты (или спектральные линии) соответствующие Сто- ксовской и анти Стоксовским компанентам рамановского излучения. Оптическое при- емное устройство (ОПУ) 21 преобразует сигналы, далее аналоговые электрические сиг- налы с ОПУ преобразуются в цифровые сигналы с помощью АЦП 22 обрабатываются
440 в блоке обработки информации 23. С помощью дополнительного сигнала от синхрони- зирующего оптического приемника (ОПрС) 25 блок обработки 24 вырабатывает сигна- лы в виде зависимости мощности обратно рассеянного рамановского сигнала от дли- ны А аст f ( L Т ) ^ Д. ст f ( L ) Далее сигналы попадают на процессор компьютера 28, где осуществляется математическая обработка и регистрация сигнала в виде тем-
445 пературной зависимости по длине кабеля 1, T=F(L).
В схему анализатора обратного рассеяния рамановского рефлектометра, вклю- чены устройство управления 26, дополнительный блок коррекции 27, связанный по входу с рэлеевским рефлектометром 25 . Релеевский рефлектометр содержит на своем входе свой оптический фильтр, связанный с дополнительным фильтром в демультип-
450 лексоре 20 и фотоприемником в блоке 27.
В процессе использования предложенного способа измерения распределения температуры по длине погружного электрического кабеля питания нефтяных насосов, измеряют рамановское и рэлеевское обратное рассеяние.
Согласно схеме(фиг.б) после изготовления оптического кабеля (ОК) проводится
455 измерение затухания ОК на двух длинах волн (блок 29), соответствующих длинам волн стоксовской и антистоксовской компанент рамановского излучения для соответ- ствующей длины волны зондирующего излучения лазера 14 в АРР, построение и пред- варительная корректировка зависимости Т= F(l) (блок 30).
Далее определяется дифференциальное затухание ОК при изменении в широком
460 диапазоне температур, т.е. А диф =F ( Т ) (блоки 31,32). Эта информация записывается в памяти блока коррекции 27 (фиг.5). На схеме эта информация подается в блок 33 . При проведении измерений дополнительно в этот блок поступает информация о ре- альном дифференциальном затухании кабеля по длине ОК, основанная на измерениях релеевского рефлектометра 28 и вычисленная в блоке 35.
465 После измерений рамановского рассеивания оптического кабеля, выполненного по настоящему решению (блок 29). Осуществляется построение измеренной кривой T=F (L) (блок 30. при этом вводятся корректирующие точки температуры по длине на специальных калибровочных участках ОК на сечениях Б-Б. Окончательная корректи- ровка результирующей температурной зависимости осуществляется (блок 35) по ре-
470 зультатам введения поправки в коэффициент К* из блока 34.
По результатам измерения рамановского рассеяния определяют
A acT f ( L T )
T = :F( L ) = Κ·Κ·
А. ст f ( L ) (3)j
Эту зависимость получают прежде всего без учета данных на калибровочных участках (в ней не учтены результаты измерения обратного рассеяния в указанных спе- 475 циальных точках ОК, имеющих запас волокна, например 0,5 %.) В ней также не учтены результаты предварительного измерения дифференциального затухания ОК, выпол- ненного после его изготовления. Т.е результаты измерения зависимости дифференци- ального затухания от температуры:
^ A acx f CT )
К =:F( T ) =
А. еч f { Т 1
(4),
480 которая возникнет в зоне высоких температур, т. е. температур, выходящих за зону обычной эксплуатации кабелей - см. точки по кривой 36(фиг.7).
Далее строится зависимость 37:
Т 2= Ff L,T)
(5),
которая получена путем первой коррекции результатов кривой 1 с учетом полученных 485 данных о точечных измерениях рамановского рассеяния на специальных участках с имеющимся большим запасом волокна.
Окончательно строится кривая 38 , которая получена путем вторичной коррек- ции результатов измерения с учетом имеющихся данных о зависимости дифференци- ального затухания от температуры: A acT f ( L T )
T3- :F( L,T) = *
490 A " f ( L ) (6)
Предложенные способ и устройство для измерения распределения температуры по длине погружного электрического кабеля питания отличается простотой реализации и не имеет недостатков, отмеченных в аналогах и прототипе.
Предложенный метод измерения позволяет повысить точность измерения темпе- 495 ратуры анализаторов рамановского рассеяния за счет исключения одного из основных физических факторов, возникающих при практической реализации метода. Т.е. данных об измерении дифференциального затухания между анти-Стоксовской и Стоксовской компонент при рассеянии кварцевого ОВ, подвергающегося воздействию внешних тем- пературных и механических воздействий при эксплуатации кабеля в условиях скважины. 500 Предложенное техническое решение - способ и устройство для измерения тем- пературы - может быть использовано также для реализации измерения давления и виб- рации. В этом случае указанные специальные зоны могут быть использованы, напри- мер, для создания брэгговского чувствительного элемента или вибрационного чувстви- тельного элемента. При этом необходимое конструктивное решение может быть ис- 505 пользовано аналогично представленному техническому решению
Предложенное техническое решение - способ и устройство для измерения тем- пературы может быть использовано для измерения температуры внутри погружного электрического кабеля питания нефтяных насосов, когда оптический кабель встроен в конструкцию электрического кабеля, но также и при автономном использовании само- 510 несущего оптоволоконного распределенного кабеля-датчика для исследования нефтя- ных скважин и других протяженных объектов, в том числе нефтипогружного обору- дования.
Прочный и легкий самонесущий оптический кабель может быть выполнен не только с локальными датчиками температуры, но и с точечными датчиками давления и
515 вибрации. При этом использование анализатора рамановского рассеивания обеспечива- ет основную базовую систему измерений (распределение температуры). Измерение ло- кальных физических параметров: давления и температуры будет зависеть от комплек- тации дополнительными системами анализа. При этом приборная часть системы может быть выполнена в том числе на базе ршановского' рефлектометра^ на уда-
520 ленном расстоянии от нескольких объектов исследований и обеспечивать передачу
данных в нужную точку доступа информации.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ измерения распределения температуры по длине погружного электри- ческого кабеля питания путем измерения сигналов рамановского обратного рассеянного излучения оптического волокна на длинах волн соответствующих Стоксовской и анти- Стоксовской компонент и расчета температурной зависимости по соотношению этих сигналов, отличающийся тем, что предварительно определяют температурную зависи- мость дифференциального затухания волокна на длинах волн Стоксовской и анти- Стоксовской компонентах рассеянного затухания в требуемом диапазоне температур для конкретного оптического кабеля и вводят предварительно полученную температурную зависимость в анализатор рамановского обратного рассеяния (АРР), корректируя теку- щую измеряемую зависимость температуры по длине оптического кабеля.
2. Способ измерения по п. 1, отличающийся тем, что для дополнительной кор- ректировки результатов измерения используют данные измерения сигналов АРР, на от- дельных специальных участках оптического кабеля, имеющих гарантированный запас волокна.
3. Устройство для измерения распределения температуры по длине погружного электрического кабеля питания, включающее помещенный внутри общей бронирован- ной оболочки, волоконно-оптический кабель в качестве распределенного датчика и ана- лизатор рамановского обратного рассеяния (АРР) в качестве измерительного прибора, а также калибровочные датчики температуры, установленные фиксировано по длине кабе- ля и анализатор обратного рассеяния, отличающееся тем, что волоконно-оптический ка- бель-датчик, выполнен в виде гибкой полой стальной трубки, составленной из шести канатных проволок, при этом внутри трубки размещено, по крайней мере, одно оптиче- ское кварцевое волокно, а калибровочные участки кабеля выполнены с геликоидальной щелью, образованной отрезками кабеля из пяти проволок с гарантированным запасом волокна в них.
4. Устройство для измерения распределения температуры по п. 3, отличающееся тем, что оно дополнено блоком памяти температурной зависимости дифференциального затухания Стоксовской и анти-Стоксовской компонент, связанный своим выходом с блоком анализатора рамановского рассеяния, корректирующего температурную зависи- мость.
5. Устройство для измерения распределения температуры по п. 3, отличающееся тем, что оно дополнено рэлеевский оптическим рефлектометром, соединенным своим выходом с входом приемника рамановского рефлектометра, а выходом с процессором рамановского рефлектометра.
PCT/RU2011/000961 2011-12-06 2011-12-06 Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления WO2013085408A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2011/000961 WO2013085408A1 (ru) 2011-12-06 2011-12-06 Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2011/000961 WO2013085408A1 (ru) 2011-12-06 2011-12-06 Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013085408A1 true WO2013085408A1 (ru) 2013-06-13

Family

ID=48574654

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000961 WO2013085408A1 (ru) 2011-12-06 2011-12-06 Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2013085408A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106121635A (zh) * 2016-08-29 2016-11-16 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 用于干热岩深井的分布式温度测试系统和方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030219190A1 (en) * 2002-05-21 2003-11-27 Pruett Phillip E. Method and apparatus for calibrating a distributed temperature sensing system
US20050140966A1 (en) * 2002-06-21 2005-06-30 Schlumberger Technology Corporation Method for measuring and calibrating measurments using optical fiber distributed sensor
CA2571772A1 (en) * 2006-01-17 2007-07-17 Weatherford/Lamb, Inc. Corrected dts measurements based on raman-stokes signals
CA2646312A1 (en) * 2006-03-13 2007-09-20 Sensortran, Inc. Dual source calibration for distributed temperature systems
RU2434208C2 (ru) * 2007-01-30 2011-11-20 Курков Андрей Семенович Волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры (варианты)

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030219190A1 (en) * 2002-05-21 2003-11-27 Pruett Phillip E. Method and apparatus for calibrating a distributed temperature sensing system
US20050140966A1 (en) * 2002-06-21 2005-06-30 Schlumberger Technology Corporation Method for measuring and calibrating measurments using optical fiber distributed sensor
CA2571772A1 (en) * 2006-01-17 2007-07-17 Weatherford/Lamb, Inc. Corrected dts measurements based on raman-stokes signals
CA2646312A1 (en) * 2006-03-13 2007-09-20 Sensortran, Inc. Dual source calibration for distributed temperature systems
RU2434208C2 (ru) * 2007-01-30 2011-11-20 Курков Андрей Семенович Волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры (варианты)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106121635A (zh) * 2016-08-29 2016-11-16 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 用于干热岩深井的分布式温度测试系统和方法
CN106121635B (zh) * 2016-08-29 2019-10-08 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 用于干热岩深井的分布式温度测试系统和方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12066308B2 (en) Distributed optical fibre vibration sensor
JP4985405B2 (ja) センサ及びそれを用いた外乱測定方法
CA2490113C (en) Method for measuring and calibrating measurements using optical fiber distributed sensor
EP3832254B1 (en) Cable, cable shape sensing system, sensing system, and method for sensing cable shape
EP2587238B1 (en) Optical fibre temperature distribution measurement apparatus
RU2547143C2 (ru) Способ измерения длины электрического кабеля, который использует оптоволоконный элемент в качестве датчика
US20080056639A1 (en) Array temperature sensing method and system
Niklès Fibre optic distributed scattering sensing system: Perspectives and challenges for high performance applications
WO2014101754A1 (zh) 多芯光纤、采用该多芯光纤的传感装置及其运行方法
EP2565370A1 (en) Subsea pipe monitoring system
JP2016102689A (ja) 光ファイバの曲げ形状測定装置及びその曲げ形状測定方法
CN111103067A (zh) 基于单模光纤的电缆沟温度监测方法和系统
JP5184876B2 (ja) 光ファイバセンサ及び光ファイバセンサを用いた歪み及び温度測定方法
WO2013085408A1 (ru) Способ измерения распределения температуры погружного электрического кабеля питания и устройство для его осуществления
RU2552399C1 (ru) Распределенный волоконно-оптический сенсор температуры повышенной чувствительности
CN213338126U (zh) 油井用测温光缆
RU161075U1 (ru) Волоконно-оптический сенсор распределения деформации
RU139213U1 (ru) Распределённый волоконно-оптический сенсор температуры повышенной чувствительности
RU171511U1 (ru) Волоконно-оптический комбинированный сенсор
RU2445590C1 (ru) Устройство для измерения температурного распределения в горизонтальной скважине
RU158854U1 (ru) Волоконно-оптический сенсор распределения температуры
RU185213U1 (ru) Волоконно-оптический комбинированный распределенный сенсор температуры и деформации высокого пространственного разрешения
RU163713U1 (ru) Подводный кабель со встроенными волоконно-оптическими сенсорами распределения температуры и деформации
KR100810729B1 (ko) 액체 온도 측정장치
RU161073U1 (ru) Распределенный волоконно-оптический сенсор температуры

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11877181

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11877181

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1